DE3722416A1

DE3722416A1 - Systemzeitgeber

Info

Publication number: DE3722416A1
Application number: DE19873722416
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Brandl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-07-07
Filing date: 1987-07-07
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2007-07-08
Also published as: DE3722416C2

Description

Systemzeitgeber

Die Erfindung bezieht sich auf einen Systemzeitgeber mit hoher Genauigkeit, bestehend aus einem Grundtaktgenerator mit einem Piezokristall, vorzugsweise ein Quarz, als frequenzbestimmendes Element, einem dem Grundtaktgenerator nachgeschalteten digi talen Teiler für die Darstellung der Uhrzeit in digitaler Da tenform sowie einem Zeitfehlerdiskriminator und einer Zeitkor rekturschaltung zur Kompensation der Abhängigkeit des frequenz bestimmenden Elements des Grundtaktgenerators von der Umge bungstemperatur und gegebenenfalls von Alterungserscheinungen.

Offenbarung der Erfindung

Bei taktischen Funknetzen, insbesondere für den mobilen Ein satz, wird für den Funkverkehr zwischen den verschiedenen End stationen oftmals zur Erhöhung der Störresistenz vom sogenann ten Frequenzsprungverfahren Gebrauch gemacht. Der Frequenzwech sel in den einzelnen Stationen erfolgt hierbei unter Zuhilfe nahme eines Pseudozufallsgenerators, der dabei die erforderli chen Frequenzadressen für den Synthesizer erzeugt. Sowohl der Verbindungsaufbau als auch der Nachrichtenverkehr zwischen zwei und mehr Stationen eines solchen Funknetzes erfordert eine außerordentlich hohe Zeitsynchronisation der Stationen im Netz, um einen solchen Frequenzsprungbetrieb, gegebenenfalls auch in Verbindung mit einer Verschlüsselung der zu übertragenden Nachrichten durchführen zu können. Die Stationen sind hierfür mit hochgenauen Quarzuhren ausgerüstet. Dies verhindert jedoch nicht, daß bei Inbetriebnahme eines solchen Funknetzes sowie im Zusammenhang mit der Neuverteilung eines Grundschlüssels auf die einzelnen Stationen sämtliche Stationen mit der genauen Systemzeit versorgt werden müssen. Hierzu ist es erforderlich, diese Systemzeit gleichsam in einem hierfür vorgesehenen Systemzeitgeber zu den einzelnen Stationen zu transportieren. Die Brauchbarkeit eines solchen Systemzeitgebers bedingt, daß die in ihn geladene Systemzeit in der Zeit, in der der System zeitgeber von der Systemzeitladestation zu den verschiedenen Funkstationen unterwegs ist, nicht wiederum mit einem Zeit fehler beaufschlagt wird.

Es ist beispielsweise durch die Literaturstellen DE 31 11 736 A1 und DE 28 41 240 A1 bekannt, bei Quarzuhren die Temperaturabhängigkeit der Frequenz des Quarzes und des hier durch bedingten temperaturabhängigen Zeitfehlers der Quarzuhr dadurch zu kompensieren, daß die Umgebungstemperatur des Quarz kristalls überwacht wird und abhängig von der Temperatur fort laufend durch entsprechende Stellimpulse, die auf den digitalen Teiler der Quarzuhr einwirken, der Zeitfehler eliminiert wird.

Eine solche kontinuierliche Zeitkorrektur hat den Nachteil, daß die für die Korrektur erforderlichen Bauelemente bzw. Schal tungsteile beständig aktiviert sein müssen und neben der hier durch verursachten zusätzlichen Erwärmung der Gesamtanordnung auch einen Energiebedarf erforderlich machen, der wesentlich über dem für die eigentliche Quarzuhr erforderlichen Energiebe darf liegt. Besonders ins Gewicht fällt dies dann, wenn eine solche Zeitfehlerkompensation bei einem Systemzeitgeber der einleitend genannten Art zur Anwendung kommen soll, da solche Geräte im Interesse ihrer Handlichkeit in möglichst kleinen Abmessungen ausgeführt sein sollen und darüber hinaus für einen Batteriebetrieb auszulegen sind.

Grundsätzlich besteht zwar auch die Möglichkeit, durch ent sprechende Auswahl gealterter Quarze in Verbindung mit einem Thermostaten die gewünschte Genauigkeit der Quarzuhr auch ohne die erwähnte Zeitfehlerkompensation zu erreichen. Praktisch scheitert aber eine solche Lösung bei einem handlichen, batteriegetriebenen Gerät, wie es ein solcher Systemzeitgeber darstellt, an dem hohen Energiebedarf des Thermostaten.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Systemzeit geber der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, der einerseits die Anforderungen an die Genauigkeit der geladenen Systemzeit für eine ausreichend lange Zeit mit hoher Sicherheit gewährleistet und darüber hinaus mit einem minimalen Energiebedarf auskommt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patent anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es bei einem solchen Systemzeitgeber völlig ausreichend ist, die temperatur abhängigen Zeitfehler, die in einem fest vorgegebenen Zeit abstand periodisch ermittelt werden, aufzuaddieren und hiermit die Uhrzeitdaten der Quarzuhr lediglich dann zu korrigieren, wenn eine Zeitausgabe ansteht. Die Aktivierung der für die Zeitkorrektur erforderlichen Bauteile bzw. Schaltungsteile und damit die hierfür benötigte Betriebsenergie kann dadurch auf einen sehr kleinen Bruchteil der benötigten Energie begrenzt werden, die für eine kontinuierliche Zeitkorrektur ansonsten erforderlich wäre.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Systemzeitgebers nach dem Patentanspruch 1 sind in den weiteren Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung bedeuten die der näheren Erläuterung der Erfindung dienenden Figuren

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Systemzeitgebers nach der Erfindung,

Fig. 2 ein die Frequenzabhängigkeit eines Quarzes über der Temperatur darstellendes Diagramm,

Fig. 3 und 4 die Wirkungsweise des Systemzeitgebers nach der Fig. 1 näher erläuternde Zeitdiagramme.

Das Blockschaltbild des Systemzeitgebers nach Fig. 1 zeigt eine Quarzuhr QU, ein Zeitfehlerdiskriminator ZFD, eine Zeitkorrek turschaltung ZKS sowie einen diese Baugruppen steuernden Mikro prozessor MP. Die Steuerung des Mikroprozessors MP beschränkt sich im wesentlichen auf die Aktivierung des Zeitfehlerdiskri minators ZFD und der Zeitkorrekturschaltung ZKS durch Betäti gen der Schalter S3, S4, S5 in deren Stromzuführung zur Batterie B sowie durch Betätigen der Schalter S1 und S2 auf der Ein- und Ausgangsseite der Zeitkorrekturschaltung ZKS.

Die Quarzuhr besteht aus einem Grundtaktgenerator GG mit einem Quarzkristall als frequenzbestimmendes Element und einem dem Grundtaktgenerator GG nachgeschalteten digitalen Teiler DT mit einem Ladeeingang LE für die Übernahme der Systemzeit. Im Grundtaktgenerator GG ist in unmittelbarer Nähe seines Quarz kristalls eine Temperatursonde TS in Form eines temperaturab hängigen Widerstandes angeordnet, dessen ihn durchfließender Strom die analoge Eingangsgröße für den Zeitfehlerdiskriminator ZFD abgibt. Der Zeitfehlerdiskriminator ZFD weist eingangsseitig einen Analog-Digitalwandler A/D auf, der ausgangsseitig mit dem Adresseneingang eines Festwertspeichers ROM verbunden ist. In den Festwertspeicher ROM ist eine Tabelle fest eingespeichert, in der jeder eingangsseitig anstehenden Temperaturwertadresse ein Zeitfehlerwert zugeordnet ist, der hierbei auf den Zeitab stand bezogen ist, in dem periodisch der einem aktuellen Tempe raturwert entsprechende Zeitfehlerwert am Ausgang des Fest speichers abgefragt wird. Der jeweils abgefragte Zeitfehlerwert am Ausgang des Festwertspeichers ROM wird dem ersten Eingang eines Addierers AD1 zugeführt, in dem dieser Zeitfehler zu dem in einem Fehlerspeicher FS festgehaltenen Gesamtzeitfehlerwert sämtlicher, vorab abgefragten Zeitfehlerwerte addiert wird. Hierzu ist ein Ausgang des Fehlerspeichers mit dem zweiten Eingang des Addierers AD1 verbunden. Der den jeweiligen Gesamt zeitfehlerwert darstellende Ausgangswert des Addierers AD1 wird wiederum in den Fehlerspeicher eingespeichert und hierbei gleichzeitig der alte Gesamtzeitfehlerwert überschrieben. Der so gewonnene Gesamtzeitfehlerwert steht dann der Zeitkorrektur schaltung ZKS zur Abnahme über den Schalter S1 zur Verfügung.

Die Zeitkorrekturschaltung ZKS besteht im wesentlichen ebenfalls aus einem Addierer AD2, deren erster Eingang über den Schalter S1 mit dem Ausgang des Fehlerspeichers FS und deren zweiter Eingang über den Schalter S2 mit dem Ausgang des digi talen Teilers TD bzw. der Quarzuhr QU in Verbindung steht. Die Arbeitsschalter darstellenden Schalter S1, S2 werden über den Mikroprozessor MP bei gleichzeitiger Aktivierung des Addierers AD2 durch Schließen des Schalters S3 in der Stromleitung zwi schen der Batterie B und dem Addierer AD2 nur dann kurzzeitig betätigt, wenn eine Zeitausgabe an den Ladeausgang LA des Systemzeitgebers gewünscht wird. Gleichzeitig mit dem Schließen des Schalters S3 wird auch der Schalter S5 in der Stromleitung der Batterie B zum Fehlerspeicher FS kurzzeitig geschlossen. Nur in diesem Fall werden dann fehlerbehaftete Uhrdaten durch vorzeichenrichtige Addition mit den Gesamtzeitfehlerdaten auf der Ausgangsseite des Fehlerspeichers FS im Addierer AD2 addiert und am Ladeausgang LA die fehlerkompensierte Uhrzeit zur Verfügung gestellt.

Für die periodische Aktivierung des Zeitfehlerdiskriminators ZFD erhält der Mikroprozessor MP über die Leitung L1 die hier für erforderliche Zeitinformation. Über die Leitung L2 hat der Mikroprozessor MP ferner die Möglichkeit, den digitalen Teiler DT für einen Systemzeitladevorgang vorzubereiten.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, enthält das Blockschaltbild des Sy stemzeitgebers in unterbrochener Linie noch einen Informations speicher IS mit jeweils einem Ladeeingang LE und einem Ladeaus gang LA. Dieser Informationsspeicher kann beispielsweise für die Aufnahme eines gleichzeitig mit der Systemzeit an die Funk geräte zu verteilenden Schlüssels geladen sein.

Zur besseren Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 zeigt Fig. 2 zunächst den Verlauf der Frequenzabweichung fi/fn des das frequenzbestimmende Element des Grundtaktgenera tors GG darstellenden Quarzes über der Temperatur ϑi/ϑ. Die Frequenzabweichung fi/fn bedeutet hierbei das Verhältnis der Istfrequenz fi zur Normalfrequenz fn bei der Normaltemperatur ϑn, auf die die Isttemperatur ϑi auf der Abszisse ebenfalls normiert ist.

In Fig. 3 ist die Istzeit ti über der Sollzeit tn die Istzeit ti für ϑi/ϑn = 1, ϑi/ϑn = 2 und ϑi/ϑn = 0,05 entsprechend den im Diagramm der Fig. 2 dargestellten ausgewähl ten normierten Temperaturwerte dargestellt. Für ϑi/ϑn = 1 ergibt sich hier eine 45°-Gerade, was bedeutet, daß die Quarz uhr über der Zeit fehlerfrei arbeitet. Im Falle ϑi/ϑn = 2 hat die Quaruhr einen positiven Zeitfehler, der den Zeitabstand vom Zeitwert t0, in dem der digitale Teiler DT über den Lade eingang LE mit der Systemzeit geladen worden ist, proportional ist. Entsprechendes gilt für ϑi/ϑn = 0,05. Hier ist der Zeitfehler negativ.

In den Zeitdiagrammen der Fig. 4 ist im Diagramm a2 zunächst die Steuerimpulsfolge für die Aktivierung des Zeitfehlerdiskrimina tors ZFD dargestellt. Beispielsweise kann diese Impulsfolge für eine Impulsperiode von 5 Minuten festgelegt sein. Ausgehend vom Zeitpunkt t0 wird also in den Zeitpunkten t1, t2 . . . t20 . . . jeweils der Zeitfehler abgefragt und die jeweils abgefragten Zeitfehler im Fehlerspeicher in aufaddierter Form festgehalten. Die Kurve für den positiven Zeitfehler + Δt entsprechend der Geraden ϑi/ϑn = 2 ist im Diagramm a1 in der Frequenzkurve über der Nullinie und der negative Zeitfehler - Δt in der Treppenkurve unter der Nullinie dargestellt.

Im Zeitdiagramm nach Fig. 4 ist ferner angenommen, daß in den Zeitpunkten t8 und t16 jeweils eine Systemzeitausgabe vorgenom men werden soll. Der positive bzw. negative Gesamtzeitfehler wert beträgt im Zeitpunkt t8 + Δt8 bzw. - Δt8, der vorzeichen richtig zur Uhrzeit addiert die fehlerkompensierte Uhrzeit ent sprechend der Geraden ϑi/ϑn = 1 im Diagramm der Fig. 3 er gibt. Entsprechendes gilt für eine Systemzeitausgabe im Zeit punkt t16. In diesem Zeitpunkt beträgt der positive bzw. nega tive Gesamtzeitfehlerwert + Δt16 bzw. -Δt16.

Die in Fig. 4 beispielhaft angenommenen Systemzeitausgaben in dem Zeitpunkten t8 und t16 sind völlig willkürlich. Sie können zwischen der Systemzeitladung in dem Systemzeitgeber im Zeit punkt t0 und einer Systemzeitausgabe in Stunden liegen.

Wichtig ist lediglich, daß im Zeitpunkt einer gewünschten Sy stemzeitausgabe jeweils der gerade aktuelle Gesamtzeitfehler wert vorzeichenrichtig zu den vom digitalen Teiler DT der Quarzuhr gelieferten Uhrzeitdaten addiert und auf diese Weise die fehlerkompensierte Systemzeit erhalten wird.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Der Systemzeitgeber eignet sich besonders für die Verteilung einer hochgenauen Systemzeit auf die verschiedenen, räumlich voneinander getrennten Stationen eines Funknetzes, insbesondere eines Funknetzes, mit dem ein störresistenter Nachrichtenver kehr ermöglicht werden soll.

Bezugszeichenliste

GG Grundtaktgenerator
DT Digitaler Teiler
LE Ladeeingang
QU Quarzuhr
TS Temperatur
A/D Analog-Digitalwandler
ROM Festwertspeicher
AD1,2 Addierer
FS Fehlerspeicher
ZFD Zeitfehlerdiskriminator
ZKS Zeitkorrekturschaltung
MP Mikroprozessor
B Batterie
S1,2 . . . 5 Schalter
fi Ist-Frequenz
fn Normal-Frequenz
ϑi Ist-Temperatur
ϑn Normal-Temperatur
ti Ist-Zeit
tn Soll-Zeit
±Δt Zeitdifferenz
t Zeit
LA Ladeausgang
IS Informationsspeicher

Claims

1. Systemzeitgeber hoher Genauigkeit, bestehend aus einem Grundtaktgenerator mit einem Piezokristall, vorzugsweise einem Quarz, als frequenzbestimmendes Element, einem dem Grundtakt generator nachgeschalteten digitalen Teiler für die Darstellung der Uhrzeit in digitaler Datenform sowie einem Zeitfehlerdis kriminator und einer Zeitkorrekturschaltung zur Kompensation der Abhängigkeit des frequenzbestimmenden Elements des Grundtakt generators von der Umgebungstemperatur und gegebenenfalls von Alterungserscheinungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitfehlerdiskriminator (ZFD) in fest vorgegebenem Zeitab stand periodisch den auf diesen Zeitabstand bezogenen Zeitfeh ler abfragt, zur Summe aller vorausgehend abgefragten Zeitfeh ler addiert und den so gewonnenen Gesamtzeitfehler ausgangs seitig der Zeitkorrekturschaltung (ZKS) in Form digitaler Daten zum Abruf bereitstellt, daß ferner die Zeitkorrekturschaltung bei Bedarf durch vorzeichenrichtige Addition der Uhrzeitdaten auf der Ausgangsseite des digitalen Teilers (DT) und der Ge samtzeitfehlerdaten eine fehlerkorrigierte Systemzeitausgabe durchführt, und daß dem Zeitfehlerdiskriminator und der Zeit korrekturschaltung für ihre gemeinsame Steuerung ein Mikro prozessor zugeordnet ist, der auch die gegebenenfalls erfor derliche Stellfunktion des digitalen Teilers steuert.

2. Systemzeitgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitfehlerdiskriminator (ZFD) eingangsseitig an eine in un mittelbarer Nähe des frequenzbestimmenden Elements des Grund taktgenerators (GG) angeordneten Temperatursonde (TS) ange schaltet ist und aus einem den Ausgang der Temperatursonde mit dem Adresseneingang eines Festwertspeichers (ROM) mit einer hierin abgelegten Temperatur-Zeitfehlertabelle verbindenden Analog-Digitalwandler (A/D), einem mit dem Ausgang des Fest wertspeichers verbundenen ersten Eingang eines Addierers (AD1) sowie einem Fehlerspeicher (FS) besteht, der mit seinem Eingang an den Ausgang und mit einem Ausgang an den zweiten Eingang des Addierers angeschaltet ist.

3. Systemzeitgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkorrekturschaltung (ZKS) einen Addierer (AD2) aufweist, dessen erster Eingang schaltbar mit einem Ausgang des Fehler speichers (FS) und dessen zweiter Eingang schaltbar mit dem Ausgang für die Uhrzeitdaten des digitalen Teilers (DT) in Verbindung steht, und daß der Ausgang des Addierers (AD2) den Ladeausgang (LA) für die Systemzeitausgabe bildet.

4. Systemzeitgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitfehlerdiskriminator (ZFD) über seine Betriebsspannungs versorgung nur während eines Zeitfehlerabfragevorgangs in einem Zeitintervall aktiviert ist, das klein bzw. sehr klein gegen eine Zeitfehler-Abfrageperiode ist.

5. Systemzeitgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Addierer (AD2) der Zeitkorrekturschaltung (ZKS) nur in dem für eine Systemzeitausgabe erforderlichen Zeitintervall, bei gleichzeitiger Aktivierung einerseits wenigstens des Fehler speichers (FS) des Zeitfehlerdiskriminators (ZFD) und anderer seits der Verbindung seiner Eingänge mit den ihnen zugeordneten Ausgängen des digitalen Teilers (DT) und des Fehlerspeichers (FS) über seine Betriebsspannungsversorgung aktiviert ist.

6. Systemzeitgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Teiler (DT) einen Ladeeingang (LE) für die System zeit aufweist.

7. Systemzeitgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Informationsspeicher (IS) mit einem Ladeein- und einem Ladeausgang (LE, LA) vorgesehen ist.

8. Systemzeitgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine konstruktive Gestaltung als Batteriegerät in Taschen- bzw. Scheckkarten format.